I COMPORTAMENTO DE UM SISTEMA UASB/FILTRO BIOLÓGICO AERÓBIO QUANDO EXPOSTO A CHOQUES DE CARGA HIDRÁULICA

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1 I-49 - COMPORTAMENTO DE UM SISTEMA UASB/FILTRO BIOLÓGICO AERÓBIO QUANDO EXPOSTO A CHOQUES DE CARGA HIDRÁULICA Mauro César Pinto Nascimento Engenheiro Civil pela UFV. Engenheiro Sanitarista e Ambiental pela UFMG. Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo (1) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne - UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Jussara Coelho Ribeiro de Moura Bióloga. Bolsista de apoio técnico do CNPq atuando Programa de Pesquisa em Saneamento Básico - PROSAB. Lucy de Castro Bióloga. Bolsista de apoio técnico do CNPq atuando no Programa de Pesquisa em Saneamento Básico - PROSAB. Endereço (1) : Av. Contorno, o andar - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) Fax: (31) calemos@desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho objetivou avaliar as condições operacionais de um sistema de tratamento de esgoto sanitário quando submetido a choques de cargas hidráulicas. O sistema, em escala piloto, era constituído de um Filtro Biológico (FB) como unidade de pós-tratamento do efluente de um reator anaeróbio de manta de lodo - reator UASB. Na condução da pesquisa foram utilizados esgotos sanitários provenientes do interceptor de esgotos do ribeirão Arrudas, na cidade de Belo Horizonte - MG - Brasil. O meio suporte do filtro biológico era constituído de escória de alto forno com granulometria entre 4, cm a 7,5 cm. O filtro era dotado de uma configuração inovadora, sendo formado por uma câmara de reação constituída pelo leito percolador e por um compartimento de decantação localizado em sua base, alterando a configuração convencional que possui a unidade de decantação separada do filtro biológico. As condições operacionais do sistema durante o teste realizado foram discretizadas em quatro fases, inicialmente (fase 1) em regime hidráulico permanente, com vazões médias de referência iguais a 1 L/h e 2 L/h, para o reator UASB e para o FB, respectivamente. Durante os testes com cargas de choque, as vazões variaram 5% acima (fase 2) e 5% abaixo (fase 3) da vazão média de referência. Na fase 4, a vazão foi novamente ajustada para a vazão média de referência, correspondente a um TDH de 4, horas no reator UASB. Os choques de carga hidráulica e as grandes variações de concentração de DQOt no esgoto bruto fizeram com que as eficiências médias de remoção do sistema piloto UASB/Filtro Biológico variassem bastante ao longo das 4 fases operacionais, tendo sido observados, para as fases 1, 2, 3 e 4, valores iguais a 91%, 84%, 69% e 74%, respectivamente. Mesmo considerando essas variações de eficiência, as concentrações médias do efluente final se mantiveram relativamente baixas, com valores de 7, 96, 17 e 18 mgdqot/l, respectivamente. Os efeitos dos choques de carga hidráulica foram relativamente muito menores em termos de SST, tendo sido obtidas concentrações muito baixas no efluente final do sistema UASB/FB, com valores médios de 3, 29, 21 e 23 mgsst/l, para as fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Em todas as fases as concentrações de SST estiveram sempre abaixo do padrão estabelecido pela DN1/86 do COPAM (6 mg/l) PALAVRAS-CHAVE: Choques de Carga Hidráulica, Filtro Biológico, Pós-tratamento, Reatores UASB, Tratamento de Esgoto Sanitário. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, grande atenção tem-se dispensada ao desenvolvimento de pesquisas que tratem conjuntamente a questão do tratamento anaeróbio e do pós-tratamento dos efluentes desses sistemas, objetivando-se alcançar tecnologias simplificadas e de baixo custo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Buscando-se, portanto, o desenvolvimento de uma tecnologia operacionalmente simples e de baixo custo, o presente trabalho pretende contribuir na avaliação do comportamento de reatores de manta de lodo (reatores UASB) seguidos de Filtros Biológicos aeróbios (FB), avaliando a performance dessas unidades sob condições de variações bruscas de carga hidráulica. Os filtros biológicos, apesar do seu grande potencial e elenco de vantagens, tem sido pouco utilizado em nosso país. Talvez a principal razão para tal seja a pouca difusão da tecnologia em nosso meio. É de grande importância, portanto, que se aumente e se dissemine o nível de conhecimento sobre esses sistemas, como forma de viabilização da sua maior utilização. Os filtros biológicos são sabidamente sistemas de tratamento de esgotos que podem encontrar uma elevada aplicabilidade no Brasil, tendo em vista, principalmente, a sua simplicidade e baixo custo operacional. Entretanto, estes sistemas não tem encontrado uma maior disseminação no Brasil, sendo raras as unidades implantadas e atualmente em operação no território brasileiro. Pelas enormes vantagens dessa modalidade de pós-tratamento, relativas principalmente a simplicidade operacional e custos, o estudo com o filtro biológico configura-se como mais uma alternativa para o póstratamento de efluentes anaeróbios. METODOLOGIA Os experimentos com o filtro biológico estão sendo desenvolvidos no Laboratório de Instalações Piloto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. A planta possui um reator anaeróbio de manta de lodo (reator UASB) em escala piloto (,42 m 3 ) que se encontra em operação há mais de 4 anos. Tanto o reator UASB quanto o filtro biológico (FB) integram a planta piloto STEPAA (Sistema de Tratamento de Esgotos por Processos Anaeróbios e Aeróbios) e o PROSAB (Programa de Pesquisa em Saneamento Básico). As Figuras 1 e 2 ilustram as unidades de tratamento. Figura 1 - Reator UASB em escala piloto Figura 2 - Filtro Biológico em escala piloto Legenda: 1- afluente; 2- compartimento de reação; 3- fundo falso com orifícios para aeração natural; 4- efluente; 5- compartimento de decantação; 6- descarte do lodo; 7- turbidímetro. A planta possuía um sistema de automação, controlado por software, que permitia o controle contínuo de determinados parâmetros, tais como: temperatura, ph, turbidez, vazão, controle automático das bombas e recalque do esgoto bruto. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A turbidez das amostras foi medida por meio de turbidímetros modelo 421 Ratio 2 HACH TM, constituídos por uma cubeta de vidro e um sensor ótico que mede a turbidez em função da intensidade de luz recebida. Uma parte do efluente é direcionada à uma cubeta posicionada na vertical, que recebe um feixe de luz cuja intensidade é detecta pelo sensor ótico, medindo assim a turbidez da amostra naquele instante. Para a realização do teste foram utilizados três aparelhos, instalados em posições estratégicas na planta, de forma a permitir a amostragem do esgoto bruto, do efluente do reator UASB e do efluente do Filtro Biológico. Os aparelhos foram ligados ao sistema de automação permitindo a transmissão on line dos dados a cada 15 milisegundos, gerando um valor médio de turbidez registrado em intervalos de duas horas. Funcionamento do FB piloto O efluente de reator UASB era bombeado e distribuído no topo do FB, seguindo a vazão de aplicação de cada fase do teste. O esgoto tinha, então, um fluxo descendente através do compartimento de reação preenchido com o meio suporte (escoria de alto forno), e era coletado, finalmente, no compartimento de decantação localizado na parte inferior do FB. No decantador, os sólidos desgarrados do biofilme, ou não retidos no meio suporte pelos mecanismos de filtração e adsorsão, eram removidos do efluente final que saía pela parte superior do decantador (ver Fig. 2). Características do sistema piloto UASB/Filtro Biológico As principais características do sistema de tratamento são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1: Características básicas do UASB - Filtro Biológico. Características Reator UASB Filtro Biológico Altura total (m) 4,2 1,35 Altura do fundo falso (m) -,2 Altura da câmara de decantação (m) -,2 Diâmetro (mm) 3 3 Volume total (L) Volume da zona de reação (L) - 6 Material Acrílico e Fibra de Vidro PVC e Fibra de Vidro Material do leito - escória de alto forno Condições operacionais As condições operacionais do sistema durante o teste realizado foram discretizadas em quatro fases, conforme apresentado na Tabela 2. A planta operou, inicialmente (fase 1), em regime hidráulico permanente, com vazões médias de referência iguais a 1 L/h e 2 L/h, para o reator UASB e para o FB, respectivamente. Durante os testes com cargas de choque, as vazões variaram 5% acima (fase 2) e 5% abaixo (fase 3) da vazão média de referência. Na fase 4, a vazão foi novamente ajustada para a vazão média de referência, correspondente a um TDH de 4, horas no reator UASB. Tabela 2: Condições operacionais da planta piloto. Condições do teste Reator UASB Filtro Biológico Fases Tempo de Operação (h) Regime Hidráulico Vazão (L/h) TDH (h) Velocidade Ascensional (m/h) Vazão (L/h) Carga Hidráulica Superficial (m³/m².d) 1 1 vazão de 1 4, 1,4 2 6,8 referência ,5 x vazão 15 2,7 2,1 3 1,3 normal 3 24,5 x vazão 5 8,,7 1 3,4 normal 4 14 vazão de referência 1 4, 1,4 2 6,8 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Monitoramento das unidades UASB/FB As unidades de tratamento foram monitoradas através de análises físico-químicas do esgoto bruto e dos efluentes do reator UASB e do FB, tendo sido avaliados os seguintes parâmetros: sólidos suspensos totais (SST), demanda química de oxigênio (DQO), ph, temperatura, turbidez e OD. A planta possuía um sistema de automação, controlado por software, que permitia o controle contínuo de determinados parâmetros, tais como: temperatura, turbidez, vazão e controle automático das bombas. As análises físico-químicas foram realizadas conforme o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater - 2 a. edição (AWWA/APHA/WEF, 1998). As amostras para análise físico-químicas foram coletadas a cada 2 horas, ao longo do período de realização do teste (72 horas), utilizando-se amostradores automáticos. RESULTADOS E DISCUSSÃO O sistema de pós-tratamento operou em quatro fases. As fases de operação do teste compreendem o período de 72 horas. A Figura 3 apresenta a variação da vazão aplicada a planta piloto ao longo do teste de 72 horas. 16 Fase Fase Fase Fase Vazão (L/h) afl. UASB afl. FB Figura 3: Variação da vazão durante o teste. O resumo dos resultados obtidos para os parâmetros físico-químicos e sua variação, são apresentados na Tabela 3, conforme as respectivas fases. Os resultados principais obtidos durante o período de operação são apresentados nas Figuras 4 e 5 que fornecem os resultados de DQOtotal, sólidos suspensos totais, respectivamente. Comportamento da DQO Embora tanto o reator UASB como o FB já estivessem operando com taxas de aplicação hidráulica relativamente elevadas para a condição de vazão de referência, correspondendo a um TDH de 4, horas no reator UASB e a uma carga hidráulica superficial de 6,8 m³/m².d no FB, a imposição de uma sobrecarga hidráulica 5% não afetou significativamente a performance do sistema de tratamento. Para essa condição de sobrecarga, as concentrações de DQO efluente aumentaram em 22% e 37%, para o reator UASB e para o FB, respectivamente, em relação a fase 1 (referência). Mesmo com a elevação das concentrações de DQO, a qualidade final do efluente ainda permaneceu muito boa, apenas ligeiramente acima do padrão de lançamento de 9 mgdqo/l estabelecido pela legislação ambiental do estado de Minas Gerais (COPAM - DN 1/86). Com a redução da sobrecarga hidráulica em 5% da vazão média normal de operação, observou-se uma queda na DQO efluente do reator UASB e um ligeiro aumento na DQO efluente do FB, indicando que o filtro biológico necessita de um período para se estabilizar após a aplicação de uma sobrecarga hidráulica. Para essa condição de carga hidráulica, as concentrações de DQO efluente reduziram em 41% para o reator UASB e aumentaram em 53% para o FB, em relação a fase 1 (referência). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Os resultados obtidos para o sistema UASB/FB indicaram eficiências médias globais de remoção de DQOt de 91%, 84%, 69% e 74%, para as fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente. O valor menor de eficiência na fase 3 se deve a menor concentração de DQOt afluente ao sistema durante essa fase. Tabela 3: Resumo dos resultados obtidos e sua variação. Parâmetros unidade Esgoto bruto Efluente UASB Efluente FB Físico-Químicos faixa média faixa média faixa média ph - 6,4 a 6,83-6,58 a 6,78-7,21 a 7,56 - Turbidez ut 6,6 a 41,3 112,7 2,3 a 42,9 26,5 - - OD mg/l ,4 a 1,4,95 Temperatura ºC ,3 a 22,9 21,4 19,5 a 22,9 21,7 DQO total mg/l 727 a a a 15 7 SS totais mg/l 112 a a a 41 3 ph - 5,45 a 7,1-6,35 a 6,84-6,98 a 7,61 - Turbidez ut 22,5 a 915,8 82,4 21,3 a 68,3 4,4 - - OD mg/l ,21 a,86,46 Temperatura ºC ,6 a 22,9 21,4 18,6 a 23,3 21,5 DQO total mg/l 366 a a a SS totais mg/l 56 a a a ph - 6,28 a 6,85-6,37 a 6,79-7,13 a 7,68 - Turbidez ut 14,2 a 895,2 83,7 15,7 a 9,2 29, - - OD mg/l ,29 a,72,43 Temperatura ºC - - 2,1 a 24,5 22,1 19,6 a 24,1 22,3 DQO total mg/l 19 a a a SS totais mg/l 66 a a a ph - 6,2 a 6,9-6,61 a 6,89-7,48 a 7,72 - Turbidez ut 28,8 a 364,4 75,2 2, a 73,7 35,7 - - OD mg/l ,34 a,58,46 Temperatura ºC - - 2,7 a 24,5 22,3 2,7 a 23,6 22,1 DQO total mg/l 244 a a a SS totais mg/l 68 a a a Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 9 Fase Fase Fase Fase DQO (mg/l) afl. UASB efl. UASB efl. FB Figura 4: Resultados obtidos para DQO total. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Comportamento dos Sólidos Suspensos Em relação aos sólidos suspensos, as concentrações médias para as fases 1 a 4 foram, respectivamente, 45, 66, 33 e 58 mgsst/l, para o efluente do reator UASB; e 3, 29, 21 e 23 mgsst/l, para o efluente do Filtro Biológico. Aparentemente, os choques de carga hidráulica não afetaram significativamente os teores de sólidos suspensos, tanto no efluente do reator UASB quanto do FB, uma vez que foram obtidos valores relativamente baixos para ambos os reatores. No caso do reator UASB, as concentrações efluentes atingiram um valor máximo de 66 mgsst/l durante a fase 2, quando o mesmo foi exposto à uma sobrecarga hidráulica 5% superior a carga de referência (fase 1). Mesmo quando operado com essa sobrecarga, que impôs ao reator valores extremos de TDH (2,7 h) e de velocidade ascensional (2,1 m/h), a concentração efluente de SST foi apenas ligeiramente superior ao padrão de lançamento estabelecido pela legislação, igual a 6 mgsst/l. Todavia, cabe ressaltar que essa excelente tolerância do reator UASB a choques de carga e funcionamento em condições extremas foi monitorada durante um período de apenas 24 horas, não sendo possível inferir o comportamento do mesmo quando operado durante períodos mais prolongados. Em relação ao funcionamento do Filtro Biológico durante a fase 2, não foram observadas alterações significativas nas concentrações de sólidos, sendo os teores observados praticamente iguais aos da fase 1.. O efeito positivo da redução de carga hidráulica se fez sentir durante a fase 3, quando essa foi 5% inferior ao valor de referência (fase 1). Para a condição de operação do reator na fase 3, com TDH de 8, h e velocidade ascensional de,71 m/h, foram observadas concentrações muito baixas de SST no efluente, da ordem de 33 mgsst/l. Também para o Filtro Biológico, que nessa fase operou com uma carga hidráulica de 3,4 m³/m².d, foram observadas as menores concentrações de sólidos, com valor médio de 21 mgsst/l. Os resultados obtidos na fase 4, quando o sistema voltou a operar em condições de carga hidráulica igual ao valor de referência (fase 1), com TDH de 4, h e velocidade ascensional de 1,42 m/h no reator UASB e carga hidráulica de 6,8 m³/m².d no Filtro Biológico, indicam que não houve alterações significativas nas concentrações de sólidos em comparação com a fase anterior (fase 3). 3 Fase Fase Fase Fase SST (mg/l) afl. UASB efl. UASB efl. FB Figura 5: Resultados obtidos para Sólidos Suspensos Totais. Relação entre sólidos suspensos e turbidez A relação entre a turbidez e as concentrações de SST, no período de realização do teste, está expressa nas Figura 6, 7, 8 e 9. A Figura 6 expressa a variação das concentrações de sólidos suspensos totais e da turbidez do esgoto bruto ao longo do período de realização do teste. Podem ser observados períodos em que a concentração de sólidos e os valores de turbidez apresentam uma mesma tendência, mas existem também horários em que não existe qualquer semelhança nas medições, com valores elevados de SST relacionados a baixos teores de turbidez. Muito possivelmente, essa falta de correlação se deve aos erros de leitura no turbidímetro, que ocorrem sempre que a cubeta de medição se encontra suja, pela formação de limo ou acumulação de sólidos em seu interior. Na Figura 7 são apresentados os dados de SST x Turbidez do esgoto ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 bruto, podendo-se observar que existe uma grande dispersão dos pontos e a ausência de qualquer correlação bem definida SST (mg/l), ut Turbidez (ut) SST afl. UASB Tur. afl. UASB SST (mg/l) Figura 6: Resultados de SST e Turbidez no esgoto bruto. Figura 7: Relação SST x Turbidez no esgoto bruto. Em relação ao efluente do reator UASB, pode-se observar que as curvas apresentam tendências de variação mais semelhantes, ao longo do período do teste (ver figura 8). A representação dos dados de SST x Turbidez do efluente do reator UASB, conforme mostrado na Figura 9, indica uma melhor correlação entre SST e Turbidez, mas ainda com grande dispersão dos pontos. Para esses pares de pontos foi obtido um coeficiente de correlação R 2 igual a,35. SST (mg/l), ut SST efl. UASB Tur. efl. UASB Figura 8: Resultados de SST e Turbidez efluente do reator UASB. Tu rb idez (u T) SST (mg/l) Figura 9: Relação SST x Turbidez efluente do reator UASB. CONCLUSÕES! Os choques de carga hidráulica e as grandes variações de concentração de DQOt no esgoto bruto fizeram com que as eficiências médias de remoção do sistema piloto UASB/Filtro Biológico variassem bastante ao longo das 4 fases operacionais, tendo sido observados, para as fases 1, 2, 3 e 4, valores iguais a 91%, 84%, 69% e 74%, respectivamente. Mesmo considerando essas variações de eficiência, as concentrações médias do efluente final se mantiveram relativamente baixas, com valores de 7, 96, 17 e 18 mgdqot/l, respectivamente.! Os efeitos dos choques de carga hidráulica foram relativamente muito menores em termos de SST, tendo sido obtidas concentrações muito baixas no efluente final do sistema UASB/FB, com valores médios de 3, 29, 21 e 23 mgsst/l, para as fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Em todas as fases as concentrações de SST estiveram sempre abaixo do padrão estabelecido pela DN1/86 do COPAM (6 mg/l)! O sistema operou satisfatoriamente, mesmo com as variações de carga hidráulica impostas, demonstrando que pode suportar determinadas variações da vazão durante sua operação.! Embora o sistema piloto possua problemas próprios devido a sua escala, seu fluxograma e suas dinâmicas são similares a de um sistema em escala real, sendo possível testar as características das unidades de tratamento, bem como, o controle das mesmas utilizando estratégias diversas de operação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à COPASA - Companhia de Saneamento de Minas Gerais pelo apoio na realização dos trabalhos e à FAPEMIG, à FINEP e ao CNPq pelo financiamento da pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS 1. AWWA/APHA/WEF (1998). Standard methods for the examination of water and wastewater. 2 ª. edition. Washington. 2. BRAGA, C. M. P. (2). Sistema de tratamento de esgotos por processos anaeróbios e aeróbios: Modelagem matemática, instrumentação e controle do processo. Tese de Doutorado, PPGEE/UFMG, 177pp. 3. CAMPOS, J. R. et alli (1999). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. RECOPE - PROSAB, 435 pp. 4. CHERNICHARO, C. A. L. (1997). Princípios do tratamento biológico das águas residuárias. Vol. 5: Reatores aneróbios. DESA/UFMG, 247 pp. 5. FREIRE, V. H. (1999). Avaliação do desempenho de um sistema combinado UASB-Lodos Ativados no tratamento de efluentes sanitários e modelagem do sistema de lodos ativados. DESA/UFMG. 6. IMHOFF, K. R., IMHOFF, K (1986). Manual de Tratamento de Águas residuárias. Tradução da 26ª edição alemã, 31 pp. 7. JORDÃO, E. P. & PESSÔA, C. A. (1995). Tratamento de esgotos domésticos. 3ª. edição, ABES, Rio de Janeiro, 683 pp. 8. METCALF & EDDY (1991). Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. 3rd ed. McGraw-Hill Inc., 1334 pp. 9. MINAS GERAIS (1986). Deliberação Normativa/COPAM N.º 1, de 16 de dezembro de Estabelece normas e padrões para qualidade das águas, lançamento de efluentes nas coleções de água, e dá outras providências. 1. VAN HAANDEL, A. C., LETTINGA, G. (1994). Tratamento anaeróbio de esgotos. Um manual para países de clima quente. 11. VON SPERLING, M. (1995). Introdução a qualidade das águas a ao tratamento de esgotos. Depto. de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8